DE102008005143A1

DE102008005143A1 - Fügebauteil, insbesondere Pilotlager für eine Kraftübertragungsvorrichtung, Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung und Kraftübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008005143A1
Application number: DE102008005143A
Authority: DE
Inventors: Yannick Strub
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2008-08-14
Also published as: US20080210666A1; US8168285B2; JP5298340B2; JP2008196695A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügebauteil, insbesondere rotationssymmetrisches Bauteil, zur Verbindung mit einem weiteren zweiten Fügebauteil zu einer Baueinheit zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung durch Pressschweißen, umfassend eine Fügefläche und einen an der Fügefläche ausgebildeten Stoßwellenbereich zur Kontaktierung des weiteren, zweiten Fügebauteils. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Fügefläche um den Stoßwellenbereich eine Ausnehmung zur Aufnahme von Schweißaufwurf vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügebauteil, insbesondere ein Pilotlager zur Verbindung mit einem weiteren zweiten Fügebauteil, insbesondere einem Deckelelement zu einer Baueinheit durch Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung durch Pressschweißen, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung zweier Fügebauteile durch Pressschweißen und eine Kraftübertragungsvorrichtung mit einer Baueinheit aus zwei Fügebauteilen.
Pressschweißverfahren, insbesondere Widerstandsschweißverfahren, sind dadurch charakterisiert, dass die Stoßstellen der miteinander zu verbindenden Bauteile durch Wärmezufuhr örtlich in einen verformbaren Zustand versetzt und durch Einwirkung von Druck plastisch miteinander verbunden werden. Die Wärmezufuhr kann unterschiedlich realisiert werden. Vorzugsweise gelangt Elektroenergie zum Einsatz, wobei durch den elektrischen Widerstand bei Stromdurchgang die Werkstoffe an der Berührungsstelle örtlich auf Schweißtemperatur erhitzt werden. Denkbar sind jedoch ferner die Ausnutzung von Ultraschall und Reibungswärme. In Abhängigkeit des verwendeten Verfahrens zur Herstellung des Verbundes kann die Wärmezufuhr zu einer Erhöhung der Temperatur in der Schweißzone auf eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur oder aber auch darunter führen. Dabei kann eines der beiden Bauteile mit einem so genannten Schweißbuckel in Form eines Vorsprunges versehen werden, wobei in diesem Bereich ein flächiges Aufeinanderdrücken der beiden zu fügenden Bauteile erfolgt und der Verbund weitestgehend durch Verformung des Materials des Schweißbuckels und Diffusion mit dem Material des zu verbindenden Fügebauteiles im Verschweißbereich erzeugt wird. Bei sehr hoch belasteten Bauteilen müssen dabei zur Entstehung des notwendigen Einbrands der Anpressdruck und die Wärmeenergie entsprechend ausgelegt werden, was zwangsläufig zur Bildung eines Wulstes am Rand der Schweißverbindung führt, indem beim Schweißen verformtes und aus dem Verschweißbereich verdrängtes Material abgelagert wird. Derartige Verbindungen werden häufig für die drehfeste stoffschlüssige und unlösbare Verbindung zwischen drehbaren Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrisch gestalteten Bauteilen, eingesetzt, die im Stumpfstoß miteinander verbunden werden. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise eine Kraftübertragungsvorrichtung, umfassend einen hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandler, bei welchem das als Pumpenrad fungierende Primärrad mit dem Eingang beziehungsweise einer Antriebseinheit, insbesondere Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei die Kopplung über einen Gehäuseteil in Form eines Gehäusedeckels erfolgt. Die Zentrierung und Lagerung erfolgt mittels eines Zapfens, der in einer Passungsbohrung in der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aufgenommen wird. Dieser Zapfen wird dabei auch als Pilot bezeichnet und ist mit dem Gehäuseteil, insbesondere dem Deckel, drehfest verbunden, wobei die Verbindung über ein Schweißverfahren erfolgt. Während des Betriebes derartiger Kraftübertragungsvorrichtungen wird dabei der Pilot auf Biegung beansprucht. Die maximalen Spannungen liegen am Rand der Schweißverbindung vor, in dem die geometrische Kerbe des Schweißaufwurfs eine Spannungskonzentration verursacht. Derartige Kerben verschlechtern die Dauerhaltbarkeit der so gebildeten Baueinheit, insbesondere der Verbindung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schweißverbindung zweier Bauteile, insbesondere zwischen einem Pilotlager und einem Element, insbesondere Gehäuseteil einer Kraftübertragungsvorrichtung, derart weiterzuentwickeln, dass eine Spannungskonzentration am Rand der Schweißverbindung vermieden wird, insbesondere der durch das Schweißverfahren bedingte Schweißaufwurf, welcher als Kerbe wirkt, verringert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 15 und 21 charakterisiert. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Für die nachfolgende Erläuterung werden für die verwendeten Begriffe folgende Definitionen zugrunde gelegt:

Fügebereich:	Verbindungsbereich zwischen zwei Bauteilen, welcher durch die stoffschlüssige Verbindung charakterisiert ist.
Überlappungsbereich:	Bereich, welcher durch den Kontakt beziehungsweise das Aneinanderliegen der miteinander zu verbindende Bauteile oder bei nicht direkter Berührung der gewünschten Anordnung dieser mit stoffschlüssiger Verbindung zueinander bei Positionierung für den Schweißvorgang charakterisiert ist.
Stoßstelle:	Flächensegmente oder Bereiche der zueinander weisenden und aneinander anliegenden Flächen der für den Schweißvorgang positionierten Bauteile, welche über den Stoffschluss miteinander verbunden werden.
Wärmeeinflusszone:	Bereich, in dem das Gefüge der miteinander zu verbindenden Bauteile unter Wärmezufuhr beeinflusst wird.

Ein Fügebauteil, insbesondere ein rotationssymmetrisches Element in Form eines Zapfens zur Realisierung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung durch Verschweißen mit einem weiteren zweiten Fügebauteil zu einer Baueinheit weist eine Fügefläche mit wenigstens einem Stoßstellenbereich auf, wobei das Fügebauteil erfindungsgemäß dadurch charakterisiert ist, dass an der Fügefläche, vorzugsweise um den Stoßstellenbereich, eine Aufwurfkammer zur Aufnahme von Schweißaufwurf, die von einer Ausnehmung oder einem oder mehreren Vorsprüngen an der Fügefläche gebildet wird, vorgesehen ist.
Bei Ausführung des Fügebauteiles als rotationssymmetrisches Element, insbesondere Zapfen, erfolgt die Ausbildung der Ausnehmung im Bereich des Außenumfanges an der die Fügefläche bildenden Stirnseite des Fügebauteiles. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, dass zusätzlich Volumen bereitgestellt wird, um den ansonsten aus dem Fügebereich beim Fügen mit einem weiteren Fügebauteil heraustretenden Schweißaufwurf, der von verdrängtem, nicht für die stoffschlüssige Verbindung verwendeten Material gebildet und aus dem Überlappungsbereich herausgedrückt wird, aufzunehmen.
Der Stoßstellenbereich kann von der gesamten Fügefläche oder aber von wenigstens einem, einen Vorsprung an der Fügefläche bildenden Schweißbuckel, gebildet werden. In diesem Fall erfolgt die Anordnung der Aufwurfkammer am Schweißbuckel. Ist das Fügebauteil als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt, wobei die Fügefläche von zumindest einem Flächenbereich an einer Stirnseite des rotationssymmetrischen Bauteiles und der Stoßstellenbereich von einem an dieser Stirnseite angeordneten ringförmigen, den Schweißbuckel bildenden Vorsprung gebildet wird, erstreckt sich die Aufwurfkammer kreisringförmig in Umfangsrichtung um diesen Vorsprung. Die Aufwurfkammer ist dann zwischen dem Stoßstellenbereich und dem Außenumfang des Fügebauteiles unter Ausbildung eines ebenfalls kreisringförmig verlaufenden Stempels am Fügebauteil angeordnet, der das in radialer Richtung zum Außenumfang hin verdrängte Material bei Einsinken bzw. Herstellen des Stoffschlusses in den Verschweißbereich zurückdrängt. Der den Schweißbuckel bildende Vorsprung ist zur Gewährleistung einer großflächigen Verbindung möglichst weit im Bereich des Außenumfanges des Fügebauteiles an der Fügefläche angeordnet, wobei die Aufwurfkammer vorzugsweise unmittelbar an den Stoßstellbereich bildenden Vorsprung angrenzt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung erstreckt sich die Aufwurfkammer bis in den Bereich des Außenumfanges des Fügebauteiles, d. h. die Tiefe der Aufwurfkammer nimmt in Richtung zum Außenumfang des Fügebauteiles unter Ausbildung des Stempels im Bereich des Außenumfanges ab, wobei die Aufwurfkammer durch wenigstens zwei Flächenbereiche charakterisiert ist – einen ersten benachbart zum Stoßstellenbereich angeordneten Flächenbereich und einen zweiten sich an diesen anschließenden und in Richtung zum Außenumfang des Fügebauteiles erstreckenden Flächenbereich. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die Ausnehmung zur Aufnahme von Schweißaufwurf derart gestaltet, dass diese konkav ausgestaltet ist. Aufgrund dieser konkav gestalteten Ausführung wird verformtes und verdrängtes Material nach radial innen in den Fügebereich zurückgedrückt. Dieses bleibt dadurch länger im Schmelzzustand und wird progressiv zusammengedrückt, um die bestehende Kammer auszufüllen. Da es zur Gewährleistung einer möglichst festen Verbindung erforderlich ist, die Kammer vollständig auszufüllen, sind ferner erfindungsgemäß die Geometrie und das Volumen auf das Volumen des entstehenden Schweißaufwurfs abgestimmt. Das Volumen der Aufwurfkammer ist dabei eine Funktion der Menge des beim Verschweißvorgang verdrängten und nicht zum Stoffschluss erforderlichen Materials, welche wiederum als Funktion der Schweißparameter bestimmbar ist.
Gemäß einer ersten Ausführung sind der erste und der zweite Flächenbereich eben ausgeführt und in einem Winkel zueinander unter Ausbildung einer im Querschnitt betrachtet dreieckförmigen Nut angeordnet, wobei der zweite Flächenbereich eine Keilfläche bildet.
Gemäß einer zweiten Ausführung ist der zweite Flächenbereich konkav gekrümmt, wobei die Krümmung durch einen oder mehrere Radien beschreibbar ist. Der erste Flächenbereich ist in beiden Fällen vorzugsweise parallel zur Mittenachse des Fügebauteiles und senkrecht zur Fügefläche ausgerichtet. Ferner besteht auch die Möglichkeit, den ersten Flächenbereich gekrümmt, vorzugsweise ebenfalls konkav auszuführen. Wird ein Krümmungsradius entsprechender Größe gewählt, kann auch eine Art Hinterschneidung in der Aufwurfkammer erzeugt werden, die zusätzlich wie ein Widerhaken in der Schweißverbindung wirkt und zur Erhöhung der Festigkeit beiträgt.
Die Aufwurfkammer kann sich dabei entweder direkt bis unmittelbar in den Bereich des Außenumfanges des Fügebauteiles erstrecken oder aber in einem, vorzugsweise geringem Abstand vor diesem enden. Die erstgenannte Möglichkeit bietet dabei den Vorteil, dass hier über die gesamte Fügefläche unter Einbeziehung der Aufwurfkammer eine optimale Verbin dung gewährleistet wird, die sich über die gesamte Fügefläche am ersten Fügebauteil erstreckt.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung schließt sich die Ausnehmung zur Optimierung der Größe des Verbindungsbereiches direkt an den Stoßstellenbereich an. Denkbar wäre auch hier eine Anordnung beabstandet zum Stoßstellenbereich.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung handelt es sich um ein Fügebauteil in Form eines rotationssymmetrischen Zapfenelementes in Form eines Pilotlagers, wobei die Verbindung im Bereich der Fügefläche mit einem weiteren Fügebauteil in Form eines Gehäuseteils zu einer Baueinheit erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung ist dadurch charakterisiert, dass eines der beiden Fügebauteile mit wenigstens einer um den Stoßstellenbereich eingearbeiteten Aufwurfkammer versehen wird, wobei die Aufwurfkammer vorzugsweise in Form einer Ausnehmung an der Fügefläche am Fügebauteil eingearbeitet wird unter Ausbildung eines im Bereich des Außenumfanges vorgesehenen Stempelelementes, wobei die Aufwurfkammer hinsichtlich ihrer Größe derart dimensioniert ist, dass diese den Schweißaufwurf, hervorgerufen insbesondere durch Verformung des als Schweißbuckel ausgebildeten Vorsprunges während des Verschweißverfahrens aufnimmt. Die Ausnehmung kann rillen- bzw. nutartig ausgeführt sein. Die Aufwurfkammer wird dabei vorzugsweise an der Fügefläche des kleineren Fügebauteiles angeordnet.
Ein erfindungsgemäßes Fügebauteil wird besonders bevorzugt in einer Kraftübertragungsvorrichtung, insbesondere einer hydrodynamischen Maschine eingesetzt, bei welcher dieses in Form eines Pilotlagers vorliegt, das mit einem Gehäuseteil drehfest verbunden wird, wobei die Verbindung stoffschlüssig und unlösbar durch Verschweißen erfolgt. Als Verschweißverfahren finden dabei Pressschweißverfahren Verwendung, insbesondere ein Widerstandsschweißverfahren oder ein Reibschweißverfahren. Andere Möglichkeiten sind ebenfalls denkbar.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1a verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt eine besonders vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäß gestalteten Fügebauteiles mit im Querschnitt dreieckförmiger Aufwurfkammer;
1 bis 1d verdeutlichen anhand eines Ausschnittes gemäß 1a weitere theoretisch mögliche Ausführungen für Aufwurfkammern;
2a und 2b verdeutlichen anhand der Positionierung der einzelnen Fügebauteile vor dem Schweißvorgang und der Anordnung nach dem Verschweißen in der Baueinheit die Nachteile gemäß dem Stand der Technik;
3a und 3b verdeutlichen anhand der Positionierung der einzelnen Fügebauteile vor dem Verschweißvorgang und der Verbindung zu einer Baueinheit nach dem Verschweißvorgang das erfindungsgemäße Verfahren und die Funktion des erfindungsgemäß ausgeführten Fügebauteiles;
4 verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Anwendung einer erfindungsgemäß hergestellten stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung.
Die 2a und 2b verdeutlichen in schematisiert vereinfachter Darstellung die Problematik beim Fügen, insbesondere Verschweißen zweier Fügebauteile 1' und 13' gemäß dem Stand der Technik im Stumpfstoß durch ein Pressschweißverfahren miteinander, wie zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung zwischen einem Pilotlager 27' und einem Element einer Kraftübertragungsvorrichtung, insbesondere einem Deckelelement 25' eines Wandlergehäuses eingesetzt. Dabei wird in 2a die Positionierung der beiden Fügebauteile 1' und 13' vor dem Schweißvorgang dargestellt und das daraus gebildete Bauteil 14' nach dem Schweißvorgang in 2b. Daraus ersichtlich sind das Fügebauteil 1', hier als rotationssymmetrisches Element in Form eines Zapfens 2', sowie das zweite Fügebauteil 13', welches beispielsweise von einem Gehäuseteil eines hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers gebildet wird. Die Fügefläche 3' am Fügebauteil 1' wird im Wesentlichen durch die an der Stirnseite 4' vorliegenden Flächenbereiche unter Berücksichtigung der Flächenbereiche eines ringförmigen Vorsprunges 6' gebildet. Der Vorsprung 6' in Form eines Schweißbuckels 5' dient dabei der Ausbildung des Stoßbereiches 15'. In diesem erfolgt der Kontakt vor und während dem Schweißvorgang mit der Fügefläche 16' am zweiten Fügebauteil 13'. Beide Fügebauteile 1' und 13' sind im Stumpfstoß zueinander angeordnet, das heißt die Stirnseite 4' stößt an einer Stirnfläche 17' des zweiten Fügebauteiles 13' an. Unter Erwärmung und Druck erfolgt eine Aufweichung und Verformung unter plastischer Vereinigung zwischen dem Fügebauteil 1' im Bereich der Fügefläche 3' und dem zweiten Fügebauteil 13'. Dazu werden hier der Schweißbuckel 5', insbesondere der Vorsprung 6', und oberflächennahe Bereiche am Fügebauteil 13' durch Wärmezufuhr örtlich in einen Knetzustand versetzt und durch den Druck plastisch vereinigt. Je nach Ausführung kann eine Wärmezufuhr bis zum Erreichen der Schmelztemperatur oder aber auch unterhalb dieser erfolgen. Das verdrängte Material 29' wird aufgrund der Ausgestaltung nach radial innen zur Mittenachse M und radial außen bezogen auf die Mittenachse M des ersten Fügebauteiles 1' betrachtet gedrückt und geht in Stoffschluss mit dem zweiten Fügebauteil 13'. Ein Teil lagert sich im Bereich des Außenumfanges 11' des ersten Fügebauteiles 1' und am zweiten Fügebauteil 13' mit frei geformter Geometrie als Wulst ab, wobei diese Ablagerung, die auch als Aufwurf 28' bezeichnet wird, im Hinblick auf die Belastung eine Kerbe darstellt, wie in 2b für die nach dem Verschweißen vorliegende Baueinheit 14' dargestellt. Zur Vermeidung dieses Nachteiles wird daher erfindungsgemäß das erste Fügebauteil 1 mit einer Aufwurfkammer 7 zur Aufnahme des Aufwurfes 28 versehen. Die Kammer 7 wird vorzugsweise immer dem kleineren Werkstück zugeordnet, insbesondere dem Werkstück mit der kleineren Fügefläche.
Die 1a verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Axialschnittes eine besonders vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäß ausgeführten Fügebauteiles 1. Das Fügebauteil 1 ist vorzugsweise als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt, insbesondere in Form eines Zapfens 2, insbesondere eines Pilotlagers 27 für eine Kraftübertragungsvorrichtung. Dieses weist zumindest eine Fügefläche 3 auf, unter welcher der Flächenbereich verstanden wird, der der stoffschlüssigen Verbindung mit dem anderen, in der 1a nicht dargestellten weiteren zweiten Fügebauteil zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung durch Pressschweißen im Stumpfstoß dient. Die Fügefläche 3 wird von einer Stirnseite 4 des Zapfens 2 gebildet. Die stoffschlüssige unlösbare Verbindung durch Verschweißen wird durch ein Pressschweißverfahren erzeugt. Die Fügefläche 3 am Fügebauteil 1 ist zu diesem Zweck nicht vollständig eben ausgestaltet, sondern weist einen Schweißbuckel 5 in Form eines ringförmig um die Mittenachse M des Fügebauteiles 1 verlaufenden Vorsprunges 6 auf, der beabstandet zum Außenumfang 11 des Fügebauteiles 1 angeordnet ist. Der Vorsprung 6 ist dabei vorzugsweise zahnförmig ausgebildet, das heißt ist von der Fügefläche 3 weg betrachtet durch zwei Flanken F1 und F2 charakterisiert. Der Vorsprung 6 verjüngt sich dabei in Richtung von der Fügefläche 3 weg. Die Kontaktierung mit dem zu verbindenden Fügebauteil während des Verschweißvorganges erfolgt am Vorsprung 6. Der Kopfteil 26 des Vorsprunges 6, insbesondere der Zahnkopf bildet dabei den Stoßbereich 15, d. h. den Bereich der Fügefläche 3, der vorgesehen ist, um mit der Fügefläche am zu verbindenden Fügebauteil im Stumpfstoß in Kontakt bei Positionierung vor dem Verschweißvorgang gebracht zu werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Naht ist der Vorsprung 6 geschlossen ringförmig ausgebildet, d. h. rotationssymmetrisch bezüglich der Mittenachse M.
Das verwendete Schweißverfahren in Form eines Pressschweißverfahrens basiert darauf, dass die Stoßstellen bzw. der oder die Stoßstellenbereiche 15 der zu verbindenden Teile durch Wärmezufuhr örtlich in einen verformbaren, insbesondere knetbaren Zustand versetzt und durch Druck plastisch vereinigt werden. Die Wärme wird im einfachsten Fall durch Elektroenergie, insbesondere Widerstandserwärmung, erzeugt. Andere Energieformen sind ebenfalls möglich, zum Beispiel Ultraschall oder Reibungswärme. Da die Stoßstelle 15 vom Vorsprung 6 in Form des Schweißbuckels 5 gebildet wird, erfolgt im wesentlichen in diesem Bereich auch die Wärmezufuhr und das Versetzen in einen verformbaren Zustand, wobei durch Verformung im Bereich des Vorsprunges 6 eine Vereinigung zwischen den beiden Fügebauteilen im Bereich ihrer Fügeflächen stattfindet. Das Pressschweißen erfolgt in der Regel frei von einem Schweißzusatz. Durch die Druckausübung wird jedoch verformtes Material in Richtung zur Mittenachse M und zum Außenumfang 11 unter Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Material des zweiten Fügebauteiles gedrückt. Um ein Austreten aus dem Fügebereich zu vermeiden, ist erfindungsgemäß am Fügebauteil 1 um den die Stoßstelle 15 bildenden Vorsprung 6 in Umfangsrichtung eine Kammer vorgesehen, die der Aufnahme von Schweißaufwurf 28 dient. Die Kammer wird auch als Aufwurfkammer 7 bezeichnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung um den Schweißbuckel 5 und damit den Verschweißbereich herum. Diese dient der Verhinderung des Austretens von Aufwurf aus dem Überlappungsbereich der beiden Fügebauteile. Die Aufwurfkammer 7 ist derart ausgeführt, dass diese eine Ausnehmung 8 an der Fügefläche 3 beschreibt und die Ausnehmung 8 entgegengesetzt zum Vorsprung 6 ausgerichtet ist, wobei die Ausnehmung 8 in radialer Richtung von der Mittenachse M ausgehend betrachtet sich nach radial außen hin erstreckt und in dieser Richtung in der Tiefe t verringert. Die Ausnehmung 8 bzw. die Aufwurfkammer 7 bildet dadurch am Fügebauteil einen beabstandet zum Schweißbuckel 5 angeordneten Stempel 12, der hier im Bereich des Außenumfanges 11 vorgesehen ist und da die Aufwurfkammer 7 ringförmig verläuft, ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Der Stempel 12 bildet eine Keilfläche und bewirkt mit dieser bei Einwirkung auf das verdrängte Material ein Zurückdrängen dieses zurück in die Schweißzone und damit einen längeren Verbleib in dieser.
Die Ausnehmung 8 ist im einfachsten Fall als Rille oder Nut ausgeführt und vorzugsweise durch eine konkave Ausgestaltung charakterisiert. Die Aufwurfkammer 7 bildende Ausneh mung 8 ist durch wenigstens zwei Flächenbereiche 9 und 10 charakterisierbar, wobei der erste Flächenbereich 9 sich an den die Stoßstelle 15 bildenden Vorsprung 6 und der zweite Flächenbereich 10 an den ersten Flächenbereich 9 anschließen und sich der zweite Flächenbereich 10 sich bis in den Bereich des Außenumfanges 11 des Fügebauteiles 1 erstreckt. Vorzugsweise erfolgt die Erstreckung direkt bis zum Außenumfang 11. Dadurch wird im Querschnitt betrachtet eine vorzugsweise dreieckförmige Ausgestaltung der Aufwurfkammer 7 realisiert. Der dadurch entstehende Stempel 12 am Außenumfang der Fügefläche 3 wird von einem ringförmigen Halbzahn gebildet. Der erste Flächenbereich 9 verläuft vorzugsweise parallel zur Mittenachse M, während der zweite Flächenbereich 10 sich vom Flächenbereich 9 in einem Abstand t von der Fügefläche 3 in Richtung zur Fügefläche 3 nach radial außen zum Außenumfang 11 erstreckt. Die Ausgestaltung des zweiten Flächenbereiches 10 erfolgt hier vorzugsweise ebenfalls eben.
Denkbar sind auch, wie in den 1b bis 1d beispielhaft anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt durch ein Fügebauteil 1 dargestellt, gekrümmte Ausführungen zumindest des Flächenbereiches 10. Entscheidend ist, dass der Flächenbereich 10 einen sich von der Fügefläche 3 ausgehend verbreiternden Stempel 12 bildet, wobei der zweite Flächenbereich 10 in Wirkrichtung der Druckkräfte bei Herstellung der unlösbaren stoffschlüssigen Verbindung einen Keil bildet und das Aufwurfmaterial vom Schweißbuckel 5 aufnimmt und in der Aufwurfkammer 7 aufgrund der geometrischen Ausgestaltung verdichtet.
Die 1b verdeutlicht eine mögliche Ausgestaltung in Abwandlung zu 1a mit gekrümmter Ausführung des zweiten Flächenbereiches 10. Auch hier bildet dieser im Bereich des Außenumfanges 11 des Fügebauteiles 1 einen Stempel 12. Die Aufwurfkammer 7 verkleinert sich in Richtung vom Stoßstellenbereich 15 weg unter Ausbildung des Stempels 12. Dabei kann der zweite Flächenbereich 10 durch einen einzigen Radius r, wie in der 1b beispielhaft dargestellt, beschrieben werden.
Denkbar sind jedoch auch Ausgestaltungen des zweiten Flächenbereiches 10 mit mehreren unterschiedlichen Radien r1 und r2. Dadurch kann die Geometrie der Aufwurfkammer 7 weiter beeinflusst werden. Eine derartige Ausführung ist beispielhaft in der 1c wiedergegeben. In dieser wird der Flächenbereich 10 beispielhaft durch zwei Radien r1 und r2 charakterisiert.
Verdeutlichen die 1a bis 1c Ausführungen mit parallelem ersten Flächenbereich 9 zur Mittenachse M, verdeutlicht 1d beispielhaft eine Ausführung mit Ausgestaltung der die Aufwurfkammer 7 bildenden Ausnehmung 8 im Querschnitt betrachtet mit gekrümmten Flä chenbereichen 9 und 10, wobei hier die einzelnen Flächenbereiche 9, 10 vorzugsweise ebenfalls unterschiedlich ausgeführt und ausgerichtet sind. Der erste Flächenbereich 9 ist dabei durch einen größeren Radius r3 charakterisiert als der Radius r4 des zweiten Flächenbereiches 10. Dadurch wird im Wesentlichen der gleiche Effekt realisiert wie in 1a. Bei stärkerer Neigung oder Krümmung kann hier auch eine Art taschenförmige Ausnehmung realisiert werden, die in Richtung zur Mittenachse M die Aufwurfkammer 7 erweitert und somit das Aufnahmevolumen weiter vergrößert werden. In diesem Fall wäre r3 oder eine Kombination unterschiedlicher Radien derart auszuführen, dass hier durch den Stempel 12 das Material in die Ausnehmung 8 eingebracht wird, wobei die Ausnehmung wie eine Hinterschneidung wirkt, an welcher das verformte Material sich beidseitig anlagert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bezüglich der Positionierung der einzelnen Fügebauteile 1 und 13 vor dem eigentlichen Verschweißvorgang zueinander in 3a und das nach der Verbindung vorliegende Bauteil 14 nach dem Verschweißvorgang in 3b dargestellt. 3a verdeutlicht die Positionierung der beiden Fügebauteile 1 und 13, insbesondere in Form des Zapfens 2 bzw. eines Pilotlagers 27 und eines Gehäuseteils, insbesondere Deckels 26 analog zu 2a. Auch hier sind die Fügebereiche beziehungsweise Fügeflächen 3 und 16 dargestellt, ferner der Stoßbereich 15, insbesondere der Kontaktbereich vor dem Verschweißen, welcher wesentlich kleiner als die eigentliche Fügefläche 3 beziehungsweise 16 ist und damit kleiner als der Fügebereich, der hier mit 18 bezeichnet ist. Ferner ersichtlich ist die um den Stoßbereich in der Fügefläche 3 angeordnete Aufwurfkammer 7 in Form der Ausnehmung 8 am ersten Fügebauteil 1. 3a sowie 1 verdeutlichen dabei eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Vorsprunges 6, insbesondere des Schweißbuckels 5 mit sich von der Stirnseite 4 weg erstreckendem verjüngendem Querschnitt in Form eines ringförmig an der Stirnfläche 4 verlaufenden Zahnes. Die Aufwurfkammer 7 ist entgegengerichtet in der Fügefläche 3 des Zapfens 2 unter Ausbildung eines Stempels 12 mit konkaver Stempelfläche ausgeführt.
Das Verschweißen selbst kann, wie bereits ausgeführt, verschiedenartig erfolgen. Dabei kann sowohl am Zapfen als auch am zweiten Fügebauteil 13 eine entsprechende Stromquelle angeschlossen werden, um hier eine örtliche Erwärmung zu erzeugen. Beide, das erste Fügebauteil 1 und das zweite Fügebauteil 13, sind im Stumpfstoß zueinander angeordnet. Der Druck kann entweder auf eines der beiden Fügebauteile 1 oder 13 ausgeübt werden oder aber vorzugsweise auf beide. Dies ist beispielhaft im dargestellten Fall mittels Pfeilen dargestellt. Ferner erkennbar ist hier das Beispiel eines Widerstandsschweißverfahrens. Die Erwärmung erfolgt durch direkten Stromfluss und der Energieeintrag über Schweißelektroden, hier beispielsweise 19 und 20. Dabei wird als Elektrodenmaterial vorzugsweise ein Werkstoff gewählt, der nicht mit den zu fügenden Bauteilen, insbesondere den Fügebauteilen 1 und 13, reagiert. Die Schmelzwärme wird beim kurzzeitigen Wirken eines starken Stromes durch den hohen Übergangswiderstand im Bauteil hervorgerufen. Die Schweißvorrichtung, umfassend die beiden Elektroden 19 und 20 und zumindest eine Stromquelle 30, ist hier mit 21 bezeichnet. Diese Ausführung der Schweißvorrichtung 21, insbesondere die Anordnung der Schweißelektroden ist beispielhaft. Andere Ausführungen sind denkbar. Die Erstellung der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt vorzugsweise unter gleichzeitiger oder zeitlich nur bedingt überschneidender Einwirkung von Wärme und Druck, wobei hier die Kraft lediglich auf eines der beiden miteinander zu verbindenden Fügebauteile 1 oder 13 aufgebracht werden kann oder beide gegeneinander.
In der Darstellung für das Bauteil 14 gemäß 3b nach dem Schweißvorgang ist ersichtlich, dass sich der durch Aufschmelzen oder Verformung verdrängte Aufwurf hauptsächlich in der Aufwurfkammer 7 befindet und somit keinerlei oder nur geringfügig über den Fügebereich 18 hinaus gelangt, wodurch nur noch eine verringerte Kerbwirkung erzeugt wird.
Die 3a verdeutlicht beispielhaft eine mögliche Ausführung. Ferner kann es sich bei dem verwendeten Pressschweißverfahren auch um ein anderes Verfahren handeln, beispielsweise ein reines Reibschweißverfahren. Dies hängt von den entsprechenden Schweißparametern ab.
Die Geometrie sowie das Volumen der Aufwurfkammer 7 wird als Funktion des aufzunehmenden Schweißaufwurfes ermittelt und ist im Wesentlichen auch abhängig von der Größe des Schweißbuckels 5. Die konkrete Auslegung ist dabei ferner abhängig vom verwendeten Schweißverfahren und der dadurch erzeugten Schweißaustragsmenge.
Die 4 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Axialschnittes eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen zweier Fügebauteile 1, 13 zu einer Baueinheit 14. Die Baueinheit 14 bildet dabei den Eingang E einer Kraftübertragungsvorrichtung 22, umfassend eine hydrodynamische Komponente, insbesondere einen hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandler 23, umfassend ein als Pumpenrad P fungierendes Primärrad, welches drehfest mit dem Eingang E verbunden ist. Dies wird über einen Gehäuseteil 24 realisiert. Der Gehäuseteil 24 wird dabei vom zweiten Fügeteil 13 gebildet und liegt in Form eines Deckels 25 vor. Das erste Fügeteil 1 bildet dabei den Lagerzapfen 2 für das Pumpenrad P, insbesondere den Deckel 25, welcher auch als Pilotlager 27 bezeichnet wird. Bei der Kraftübertragungsvorrichtung 22 kann es sich um eine hydrodynamische Komponente oder aber eine Multifunktionseinheit mit hydrodynamischer Komponente, dieser zugeordneten schaltbaren Kupplung 31, insbesondere Überbrückungskupplung und gegebenenfalls einer Vorrichtung 32 zur Dämpfung von Schwingungen handeln.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die dargestellte Anwendung beschränkt, wobei diese jedoch eine besonders vorteilhafte Anwendung verdeutlicht. Denkbar ist der Einsatz für jegliche Anwendung mit grenzwertiger Dauerhaltbarkeit, bei welcher die Gefahr eines Austrittes von Schweißaufwurf unter Kerbwirkungsbildung besteht. Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lösung einsetzbar für die Herstellung stoffschlüssiger unlösbarer Verbindungen zweier vorzugsweise rotierbarer Bauteile zur Erzeugung einer drehfesten Verbindung, ganz besonders bevorzugt zur Verbindung eines als Pilotlager bezeichneten Zapfens an einem Wandlerdeckel, wobei die Bauteile im Stumpfstoß zueinander angeordnet sind und ferner die derart hergestellte Verbindung auf Biegung beanspruchbar ist.

1: Fügebauteil
2: Zapfen
3: Fügefläche
4: Stirnseite
5: Schweißbuckel
6: Vorsprung
7: Kammer
8: Ausnehmung
9: erster Flächenbereich
10: zweiter Flächenbereich
11: Außenumfang
12: Stempel
13: zweites Fügebauteil
14: Baueinheit
15: Stoßbereich
16: Fügefläche
17: Stirnfläche
18: Fügebereich
19: erste Elektrode
20: zweite Elektrode
21: Schweißvorrichtung
22: Kraftübertragungsvorrichtung
23: hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler
24: Gehäuseteil
25: Deckel
26: Kopfteil
27: Pilotlager
28: Aufwurf
29: verdrängtes Material
30: Stromquelle
31: schaltbare Kupplung
32: Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen
P: Pumpenrad
F1: Flanke
F2: Flanke
F: Kraft
M: Mittenachse

Claims

Fügebauteil (1), insbesondere Pilotlager, zur Verbindung mit einem weiteren zweiten Fügebauteil (13) zu einer Baueinheit (14) zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung durch Pressschweißen, umfassend eine Fügefläche (3) und einen an der Fügefläche (3) ausgebildeten Stoßstellenbereich (15) zur Kontaktierung des weiteren, zweiten Fügebauteils (13), dadurch gekennzeichnet, dass an der Fügefläche (3) eine Aufwurfkammer (7) zur Aufnahme von Schweißaufwurf vorgesehen ist.
Fügebauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwurfkammer (7) von einer Ausnehmung (8) gebildet und um den Stoßstellenbereich (15) angeordnet ist und der Stoßstellenbereich (15) von wenigstens einem, einen Vorsprung (6) an der Fügefläche (3) bildenden Schweißbuckel (5) gebildet wird.
Fügebauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßstellenbereich (15) von wenigstens einem, einen Vorsprung (6) an der Fügefläche (3) bildenden Schweißbuckel (5) gebildet wird und die Aufwurfkammer (7) von einem um den Stoßstellenbereich (15) angeordneten Vorsprung und dem Schweißbuckel (5) begrenzt wird.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt ist, wobei die Fügefläche (3) von zumindest einem Flächenbereich an einer Stirnseite (4) des rotationssymmetrischen Bauteiles und der Stoßstellenbereich (15) von einem an dieser Stirnseite (4) angeordneten ringförmigen, einen Schweißbuckel (5) bildenden Vorsprung (6) gebildet wird und die Aufwurfkammer (7) sich in Umfangsrichtung um diesen Vorsprung (6) kreisringförmig erstreckt.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwurfkammer (7) zwischen dem Stoßstellenbereich (15) und dem Außenumfang (11) des Fügebauteiles (1) angeordnet ist.
Fügebauteil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwurfkammer (7) unmittelbar an den Stoßstellbereich (15) bildenden Vorsprung (6) angrenzt.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwurfkammer (7) sich bis in den Bereich des Außenumfanges (11) des Fügebauteiles (1) erstreckt.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der Aufwurfkammer (7) in Richtung zum Außenumfang (11) des Fügebauteiles (1) unter Ausbildung eines Stempels (12) im Bereich des Außenumfanges (11) abnimmt und die Aufwurfkammer (7) durch wenigstens zwei Flächenbereiche (9, 10) charakterisiert ist – einen ersten benachbart zum Stoßstellenbereich (15) angeordneten Flächenbereich (9) und einen zweiten sich an diesen anschließenden und in Richtung zum Außenumfang (11) des Fügebauteiles (1) erstreckenden Flächenbereich (10).
Fügebauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Flächenbereich (9, 10) eben ausgeführt und in einem Winkel zueinander unter Ausbildung einer im Querschnitt betrachtet dreieckförmigen Nut angeordnet sind.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flächenbereich (9) parallel zur Mittenachse (M) des Fügebauteiles (1) und senkrecht zur Fügefläche (3) ausgerichtet ist.
Fügebauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilbereich eines die Aufwurfkammer (7) begrenzenden Flächenbereiches (9, 10) konkav gekrümmt ist.
Fügebauteil (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des einzelnen Flächenbereiches (9, 10) durch wenigstens einen Radius (r, r1, r2, r3, r4) charakterisiert ist
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprühe 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Aufwurfkammer (7) als Funktion des Schweißaufwurfes bestimmt ist.
Fügebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Zapfen (2) eines Pilotlagers (27) zur drehfesten Kopplung mit einem Gehäuseteil ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen unlösbaren Verbindung eines ersten Fügebauteiles (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 und einem weiteren zweiten Fügebauteil (13) durch Verschweißen, insbesondere einem Pressschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und die Größe der Aufwurfkammer (7) am ersten Fügebauteil (1) in Abhängigkeit der Größe des theoretisch möglichen entstehenden Schweißaufwurfes bestimmt wird, wobei eine Mindestauslegung derart erfolgt, dass immer eine vollständige Füllung der Aufwurfkammer (7) gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressschweißverfahren ein Widerstandsschweißverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressschweißverfahren ein Reibschweißverfahren ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Fügebauteile (1, 13) im Bereich der Fügeflächen (3) auf eine Temperatur in Höhe der Schmelztemperatur des Werkstoffes wenigstens eines der miteinander zu verbindenden Fügebauteile (1, 13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Fügebauteile (1, 13) im Bereich der Fügeflächen (3) auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffes wenigstens eines der miteinander zu verbindenden Fügebauteile (1, 13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf beide Fügebauteile (1, 13) in Fügerichtung eine Kraft aufgebracht wird.
Kraftübertragungsvorrichtung (22) zum Einsatz in einem Antriebsstrang zur Verbindung einer Antriebsmaschine mit einem Getriebe, umfassend einen hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandler (23), umfassend ein Pumpenrad (P), welches über einen Gehäuseteil drehfest mit einem drehfest mit dem Antrieb koppelbaren Zapfen (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (2) als Fügebauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist und die Verbindung zwischen dem Zapfen (2) und dem Gehäuseteil gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20 erzeugt wird.